Existem poucas coisas que podemos conceber que são tão espantosamente grandes como o espaço. Nosso Universo observável, até os mais profundos recessos do espaço que podemos ver, nos leva a cerca de 46 bilhões de anos-luz em todas as direções. Desde o Big Bang até agora, o nosso Universo expandiu-se enquanto gravitava ao mesmo tempo, dando origem a estrelas e galáxias espalhadas por toda a extensão do espaço exterior. Tudo dito, existem actualmente cerca de 2 triliões de galáxias presentes dentro dele.

E ainda assim, se voltarmos no tempo, aprendemos que o nosso Universo não só era um lugar muito mais pequeno, como também que, nos primeiros estágios, não era de todo impressionantemente grande. O espaço pode não ter sido sempre um lugar grande, e é apenas o facto de o nosso Universo se ter expandido tão completa e implacavelmente que nos faz vê-lo tão grande e vazio hoje.

Se olharmos para o Universo hoje, não há como negar a enormidade da sua escala. Contendo em algum lugar na vizinhança de 400 bilhões de estrelas, nossa galáxia da Via Láctea se estende por mais de 100.000 anos-luz de diâmetro. As distâncias entre as estrelas são enormes, com a estrela mais próxima do nosso Sol (Proxima Centauri) localizada a cerca de 4,24 anos-luz de distância: mais de 40 trilhões de quilômetros de distância.

Embora algumas estrelas estejam agrupadas, seja em sistemas multi-estrelas ou aglomerados de estrelas de vários tipos, a maioria é como o nosso Sol: estrelas únicas que estão relativamente isoladas de todas as outras dentro de uma galáxia. E uma vez que você vai além da nossa própria galáxia, o Universo torna-se um lugar muito mais escasso, com apenas uma pequena fração do volume do Universo realmente contendo galáxias. A maior parte do Universo, tanto quanto podemos dizer, é completamente desprovido de estrelas e galáxias.

O nosso Grupo Local, por exemplo, contém outra grande galáxia: Andrómeda, localizada a 2,5 milhões de anos-luz de nós. Uma série de galáxias significativamente menores também estão presentes, incluindo a galáxia Triangulum (a 3ª maior do Grupo Local), a Grande Nuvem de Magalhães (#4), e cerca de 60 outras galáxias muito menores, todas contidas em cerca de 3 milhões de anos-luz de nós mesmos.

Além disso, galáxias são encontradas aglomeradas e aglomeradas por todo o Universo, com uma teia cósmica consistindo de grandes aglomerados de galáxias conectadas por filamentos de ponta de galáxia. O Universo veio a ser assim porque não só se expandiu e esfriou, mas porque também gravitou. As regiões inicialmente superdensas atraíram preferencialmente a matéria e deram origem às estruturas que vemos; as regiões sub-densas entregaram sua matéria às mais densas, tornando-se os grandes vazios cósmicos que dominam a maior parte do volume do Universo.

Tudo dito, o nosso Universo observável é verdadeiramente enorme hoje em dia. Centrado em qualquer observador – incluindo nós mesmos – nós podemos objetivar até 46,1 bilhões de anos-luz em qualquer direção. Quando você soma tudo isso, isso equivale a um volume de 4,1 × 1032 anos-luz cúbicos. Com mesmo dois trilhões de galáxias no Universo, isso significa que cada galáxia, em média, tem cerca de 2 × 1020 anos-luz de volume para si.

Se as galáxias estivessem todas uniformemente espaçadas pelo Universo, e definitivamente não estão, você poderia colocar seu dedo em uma galáxia e desenhar uma esfera ao redor dela que tivesse aproximadamente 6 milhões de anos-luz de raio e nunca atingisse outra galáxia. A nossa localização no Universo tem centenas de vezes a densidade de galáxias que esperamos em média. Entre os grupos e aglomerados de galáxias no Universo encontra-se a maior parte do seu volume, e é na sua maioria espaço vazio.

Mas a razão pela qual o Universo é tão grande hoje em dia é porque ele é expandido e resfriado para chegar a este ponto. Ainda hoje, o Universo continua a expandir-se a um ritmo tremendo: aproximadamente 70 km/s/Mpc. No ponto mais distante do Universo, a 46,1 bilhões de anos-luz de distância, a quantidade de Universo que podemos observar cresce mais 6,5 anos-luz a cada ano que passa.

Isso significa que se extrapolarmos na direção oposta no tempo – olhando para o passado o quanto quisermos – encontraremos o Universo como ele era quando era mais jovem, mais quente e menor. Hoje, o Universo estende-se por 46 bilhões de anos-luz em todas as direções, mas isso é porque já se passaram 13,8 bilhões de anos desde o Big Bang, e o nosso Universo contém uma mistura específica de energia escura, matéria e radiação em várias formas.

Se voltássemos a quando o Universo tinha apenas 3 bilhões de anos (cerca de 20% da sua idade atual), descobriríamos que era apenas cerca de 9 bilhões de anos-luz em raios (apenas 0,7% do seu volume atual).

E não temos problemas em olhar para trás para ver galáxias e aglomerados de galáxias quando o Universo era tão jovem; o Telescópio Espacial Hubble, entre outros, levou-nos de volta muito mais longe do que isso. Nesta época, as galáxias eram menores, mais azuis, de menor massa e menos evoluídas, em média, pois o Universo não tinha tido tempo suficiente para formar as maiores e mais maciças estruturas de todas.

O Universo, nesta fase inicial, é muito mais denso em geral do que é hoje. O número de partículas de matéria permanece o mesmo ao longo do tempo, mesmo com a expansão do Universo, o que significa que o Universo na idade de ~3 bilhões de anos é cerca de 150 vezes mais denso do que o Universo é hoje, na idade de ~13,8 bilhões de anos. Em vez de cerca de 1 protão de massa por metro cúbico, existem cerca de 100 protões de massa. No entanto, podemos voltar a tempos muito anteriores e encontrar um Universo que não só é menor e mais denso, mas também dramaticamente diferente.

Se voltarmos a quando o Universo tinha apenas 100 milhões de anos – menos de 1% da sua idade atual – as coisas começam a parecer dramaticamente diferentes. As primeiras estrelas começaram a se formar apenas recentemente, mas ainda não existiam galáxias, nem mesmo uma. O Universo é cerca de 3% da sua escala actual nesta altura, o que significa que tem apenas 0,003% do seu volume actual, e 40.000 vezes a sua densidade actual. O Fundo Cósmico de Microondas é quente o suficiente, neste momento, para ferver nitrogênio líquido.

Mas podemos ir muito mais longe no tempo, e descobrir um Universo ainda menor. A luz do Fundo Cósmico de Microondas que vemos foi emitida quando o Universo tinha apenas 380.000 anos: quando era mais de um bilhão de vezes mais denso do que é hoje. Se você desenhasse um círculo em torno do nosso supercluster local hoje, Laniakea, ele encapsularia um volume muito maior do que todo o Universo observável naqueles estágios iniciais, quentes e densos.

Significa que se voltássemos a uma época em que o Universo tinha aproximadamente uma década, dez anos após o Big Bang ter ocorrido pela primeira vez, todo o Universo observável – contendo toda a matéria que temos hoje 2 triliões de galáxias (e mais) – não seria maior do que a galáxia Via Láctea.

Significa que se voltássemos a uma época em que tinha passado apenas um segundo desde o Big Bang, quando o último da antimatéria do Universo primitivo (na forma de positrões) estava a aniquilar-se, todo o Universo observável teria apenas cerca de 100 anos-luz de diâmetro.

E isso significa que nos primeiros estágios do Universo, quando talvez apenas um picossegundo (10-12 segundos) tinha passado desde o Big Bang, todo o Universo observável poderia caber dentro de uma esfera não maior do que o tamanho da órbita da Terra ao redor do Sol. Todo o Universo observável, nos estágios iniciais do Big Bang, era menor que o tamanho do nosso Sistema Solar.

Você poderia pensar que poderia levar o Universo de volta a uma singularidade: a um ponto de temperatura e densidade infinitas, onde toda a sua massa e energia se concentravam numa singularidade. Mas sabemos que essa não é uma descrição precisa do nosso Universo. Em vez disso, um período de inflação cósmica deve ter precedido e estabelecido o Big Bang.

A partir da evidência no Fundo Cósmico de Microondas de hoje, podemos concluir que deve ter havido uma temperatura máxima que o Universo atingiu durante o quente Big Bang: não mais do que cerca de 5 × 1029 K. Embora esse número seja enorme, não é apenas finito, é bem abaixo da escala de Planck. Quando você trabalha a matemática, você encontra um diâmetro mínimo para o Universo no início do Big Bang quente: cerca de 20 centímetros (8″), ou em torno do tamanho de uma bola de futebol.

É verdade que não sabemos quão grande é realmente a parte não observável do Universo; ela pode ser infinita. Também é verdade que não sabemos por quanto tempo a inflação durou ou o que, se alguma coisa, veio antes dela. Mas sabemos que quando o quente Big Bang começou, toda a matéria e energia que vemos hoje no nosso Universo visível, todas as coisas que se estendem por 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções devem ter sido concentradas em um volume do tamanho de uma bola de futebol.

Por pelo menos um curto período de tempo, a vasta extensão de espaço que olhamos e observamos hoje foi tudo menos grande. Toda a matéria que formava galáxias inteiras e maciças teria cabido numa região de espaço menor do que uma borracha de lápis. E ainda assim, através de 13,8 bilhões de anos de expansão, resfriamento e gravitação, chegamos ao vasto Universo que ocupamos hoje, um pequeno canto. O espaço pode ser a maior coisa que conhecemos, mas o tamanho do nosso Universo observável é uma conquista recente. O espaço nem sempre foi tão grande, e a evidência está escrita no Universo para que todos nós vejamos.